第2章 简单线天线

第2章简单线天线2.1水平对称天线2.2直立天线2.3环形天线2.4引向天线与背射天线

第一节水平对称天线水平天线的优点:（1）架设和馈电方便；（2）地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线的小；（3）可减小干扰对接收的影响。主要应用于短波通信。一、双极天线二、笼形天线三、电视发射天线一、

双极天线（水平对称振子）单根硬拉黄铜线或铜包钢线做成，也可用多股软铜线，导线的直径根据所需的机械强度和功率容量决定，一般为3~6mm为了降低绝缘子介质损耗，绝缘子宜采用高频瓷材料1、双极天线的方向性（天波传播方式）由自由空间对称振子方向函数和负镜像阵因子按方向图乘积定理得：立体L变H变1）垂直平面方向图（xoz平面）φ=0°

fxOz(Δ,φ=0°)=|1-coskl|·|2sin(kHsinΔ)|(1)垂直平面方向图只与H/λ有关，而与l/λ无关。(2)无论H/λ为何值，沿地面方向（即Δ=0°方向）均无辐射。

(3)第一波瓣的最大辐射仰角Δm1。

sin(kHsinΔm1)=1当双极天线用作天波通信时，工作距离愈远，通信仰角Δ0

愈低，则要求天线架设高度越高。2）水平平面方向图（辐射仰角Δ一定）

l/λ=0.25l/λ=0.5通信角度分别为20度、40度、60度不同长度天线的水平方向图双极天线水平平面方向图与架高H/λ无关。2、双极天线的输入阻抗分析：用镜像法，根据天线阵的阻抗分析方法阻抗变化剧烈，带宽较窄。3、方向系数

双极天线的

D~l/λ

关系曲线4、双极天线的尺寸选择

1）臂长

l的选择原则（1）从水平平面方向性考虑。l<0.7λmin，最大辐射方向始终在与振子垂直（即φ=0°）的平面上。

（2）

从天线及馈电的效率考虑。l≥0.2λmax0.2λmax≤l≤0.7λmin

2）天线架高H的选择保证在工作波段内通信仰角方向上辐射较强。如果通信距离较远时天线的最大辐射方向Δm1与所需的射线仰角Δ0一致：二、笼形天线双极天线加粗振子直径的办法来降低天线的特性阻抗导线直径为1.75m有效地增加天线的等效直径，又能减轻天线重量，减少风的阻力。可以展宽使用的波段。减小在馈电点附近的端电容，保证良好匹配减小天线的末端效应，便于架设分支笼形天线双锥天线扇形天线平面片形对称振子三、电视发射天线1.电视发射天线的特点和要求1）电视所用的频率：甚高频（VHF，48.5～223MHz）；特高频（UHF，470～958MHz）。在结构、防雷、防冰凌等方面满足一定的要求。2）要求天线在水平平面内应具有全向性。在垂直平面内要有较强的方向性，以便能量集中于水平方向而不向上空辐射。3）为减小天线受垂直放置的支持物和馈线的影响，减小工业干扰，应采用水平极化波。4）要求天线要有足够带宽，并要满足对驻波比的要求，以保证天线与馈线处于良好的匹配状态。2.旋转场天线馈给两个振子的电流大小相等，相位相差90°，在振子组成的平面内的任意点上，两个振子产生的场强分别为

E1=AsinθcosωtE2=Acosθsinωt

E=E1+E2=Asin(ωt+θ)在某一瞬间，在振子所在平面内的方向图为一个“8”字形，而在任一点处，E又是随时间而变化的，变化周期为ω。在任何瞬间，天线在该平面内的方向图为“8”字形，但这个“8”字形的方向图随着时间的增加，围绕与两振子相垂直的中心轴以角频率ω旋转————旋转场天线。3.蝙蝠翼天线（BattyWingAntenna）

满足宽频带的要求减轻天线重量减少风阻防雷击加入接地钢管中间的振子较短，两端的振子较长，——改善其阻抗特性多层旋转场蝙蝠翼天线在水平平面内近似全向天线蝙蝠翼天线的优点：1、频带很宽；2、不用绝缘子，可很牢固地固定在支柱上；3、功率容量大。第二节直立天线

在长波和中波波段，受地的负镜像作用，天线的辐射能力很弱,而且在此波段主要采用地面波传播。由于地面波传播时，水平极化波的衰减远大于垂直极化波，因此在长波和中波波段主要使用垂直接地的直立天线。一鞭状天线水平平面的全向天线、适合移动中的无线电台使用

1、鞭状天线电性能1）垂直极化天线，在理想导电地面上，其辐射场垂直于地面，在实际地面上有波前倾斜。2）方向图及方向系数：镜像分析当天线很短H/λ<0.1时，方向系数近似等于3。3）有效高度：当H/λ<0.1时，4）、输入阻抗

Rin=Rr0+Rl0与地面导电性有关。5）、效率由于损耗电阻大，效率很低。提高鞭状天线效率的方法：一是提高辐射电阻，另一是减小损耗电阻。

2、加顶负载

加顶负载等效为一段长线段天线电流分布得到改善二、

螺旋鞭天线

辐射特性取决于螺旋线直径D与波长的比值D/λ边射型 端射型圆锥型小环的辐射场只有Eφ分量：电基本振子的辐射场只有Eθ分量：两个相互垂直的分量均具有sinθ

的方向图，并且相位差为90°，合成电场是椭圆极化波。椭圆极化波的长轴与短轴之比称为轴比，用AR表示：第三节环形天线

环形天线按尺寸大小可分为小环天线与大环天线。若圆环的半径b很小，其周长C=2πb≤0.2λ，则称为小环天线。小环天线上沿线电流的振幅和相位变化不大，近似均匀分布。当环的周长可以和波长相比拟时，称为大环天线。必须考虑导线上电流的振幅和相位的变化，可近似地将电流看成驻波分布，这种天线的电特性和对称振子的电特性有明显的相似之处，均属谐振型天线。一、小环天线D=1.5为提高天线辐射电阻，采用多匝小环天线。在背负或车载电台、船舶中的高频电台、地震遥测系统中都有使用，适用的频率范围为2～300MHz。N匝小环天线的辐射电阻为单匝值的N2倍，即：单匝环的辐射效率8匝环的辐射效率二、

电流非均匀分布的大环天线

1.大圆环天线环天线几何特征参量：Ω=2ln(2πb/a)

其中a为导线半径，b为环的半径。环参数远大于kb=0.2（半径远大于0.03λ～0.04λ）时就不能认为是小环了方向函数为：

yOz平面:fθ(θ)=cosθ［J0(sinθ)+J2(sinθ)］

xOz平面:fφ(θ)=J0(sinθ)-J2(sinθ)一个波长的圆环天线方向图(a)yOz平面；(b)xOz平面与两平行排列、间距为0.27λ的半波振子阵相似。

2.双环天线

双环天线结构双环天线阵(a)2L形；(b)4L形；(c)6L形优点：（1）馈电简单，馈电点少。多环天线可以只有两个馈电点，因而馈线系统简单。（2）阻抗具有宽频带特性。（3）增益高，可通过反射板来增加增益。（4）可利用多面组合得到任意的水平平面方向图。双环天线在电视发射台中获得广泛的应用。三、加载圆环天线在小环天线的中点串入适当数值的电阻，则可以使得沿线电流近似行波分布，这种天线称为加载圆环天线。优点：具有良好的宽频带特性，且为单向辐射。结构简单，造价低，特别适用作VHF全频道室内电视接收天线。缺点：效率较低，只适宜在强信号区使用。一、引向天线二、背射天线第四节引向天线与背射天线

一、引向天线

“八木—宇田”天线，是一个紧耦合的端射阵。由一个（或两个）有源振子及若干个无源振子构成。有源振子近主要作用是提供辐射能量。无源振子起引向或反射作用的大小与它们的尺寸及离开有源振子的距离有关。

有几个振子就称为几单元或几元引向天线——八元引向天线。特点：1、每个无源振子都近似等于半波长，中点为电压波节点；2、各振子与天线轴线垂直，它们可以同时固定在一根金属杆上，金属杆对天线性能影响较小；3、不必采用复杂的馈电网络，因而该类天线具有体积不大、结构简单、牢固、便于转动、馈电方便等优点。4、其增益可以做到十几个分贝，具有较高增益。5、缺点是调整和匹配较困难，工作带宽较窄。1、引向天线的工作原理

1）引向器（Director）与反射器（Reflector）引向天线原理(a)振子“2”为反射器；(b)振子“2”为引向器在一对振子中，振子“2”起引向器或反射器作用的关键不在于两振子的电流幅度关系，而主要在于两振子的间距以及电流间的相位关系。

若振子“2”所在方向的M点辐射场较强，则“2”为引向器；反之，则为反射器。在d/λ≤0.4的前提下，振子“2”作为引向器或反射器的电流相位条件是：反射器：0°<α<180°

引向器：-180°<α<0°

2）二元引向天线（TwoElementYagi-UdaAntenna）采用无源振子作为引向器或反射器。在引向天线中无源振子的引向或反射作用都是相对于有源振子而言的。在有源振子电磁场的作用下，无源振子将被感应出电流I2。I2由它自身的尺寸以及与有源振子的相对关系所决定。振子“2”的电流由天线阵的阻抗特性决定：只要适当改变间距d（可以改变互阻抗）或适当改变无源振子的长度2l2（可以改变自阻抗），都可以调整I2的振幅和相位，使无源振子“2”起引向器或反射器的作用。二元引向天线方向图特点：1）当有源振子2l1/λ一定时，只要2l2/λ及d/λ选择的合适，无源振子就可以成为引向器或反射器。（2）当振子长度一定时，d/λ值不同，无源振子所起的引向或反射作用不同。（3）为了形成较强的方向性，引向天线振子间距d/λ不宜过大，一般d/λ<0.4。l1<l2l1>l23）多元引向天线采用一个反射器，若干个引向器。典型引向天线的增益与总元数的关系实际应用的引向天线引向器的数目通常很少超过十三四个。2、方向图的半功率角与副瓣电平用矩量法（MoM）按照实际结构计算。引向天线半功率角的估算公式为：2θ0.5~L/λ的关系当L/λ>2以后，2θ0.5随L/λ的增大下降得相当缓慢，引向天线的半功率角不可能做到很窄，通常都是几十度。引向天线的尾瓣一般较大。为了减小引向天线的尾瓣，可以将单根反射器换成反射屏或“王”形反射器等形式。带“王”字形反射器的引向天线3、半波折合振子等粗细型式不等粗细型式有源振子采用半波折合振子的优点：1、输入电